DE3540011A1

DE3540011A1 - Verfahren und treiberschaltung zum antreiben eines buerstenlosen gleichstrommotors

Info

Publication number: DE3540011A1
Application number: DE19853540011
Authority: DE
Inventors: Robert E. Boise Id. Kier
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1984-11-13
Filing date: 1985-11-12
Publication date: 1986-05-15
Also published as: JPS61121791A; GB2167253A; GB8527959D0

Description

Hew!ett-Packard Company

Int. Az.: Case 1912 : '/■-'/-

BESCHREIBUNG

VERFAHREN UND TREIBERSCHALTUNG ZUM ANTREIBEN EINES BÜRSTENLOSEN GLEICHSTROMMOTORS Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Treiberschaltung zum Ausführen des Verfahrens.

Es ist in der Technik allgemein bekannt, daß bürstenlose Gleichstrommotoren wegen der Ansteuerung durch Stromimpulse hörbare Geräusche erzeugen. Diese Schall abstrahlung wird oft als belästigend empfunden. Eine der Quellen der durch bürstenlose Gleichstrommotoren erzeugten hörbaren Geräusche besteht im Wirken axialer Kräfte, die sich beim Antrieb mittels üblicher Schaltungskonfigurationen zwischen den Motorwicklungen und dem permanentmagnetischen Rotor ergeben. Die übliche Schaltungsanordnung besteht aus Leistungstransistoren, welche abwechselnd Strom von einem Netzteil durch die Motorwicklungen leiten, und deren Ansteuerung aus einem Signal abgeleitet ist, das während der Drehung des Rotors durch eine Hall-Sonde erzeugt wird. Bei einer solchen Anordnung wird einfach der zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit erforderliche Strom durch die Wicklungen geleitet.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsverfahren für einen bürstenlosen Gleichstrommotor anzugeben, das einen geräuschärmeren Betrieb gestattet. Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Das beanspruchte Verfahren verringert die auftretenden axialen Kräfte bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, wodurch Geräusche im hörbaren Frequenzbereich in ihrer Intensität verringert werden, indem für jede Motorwicklung beim Einschalten und beim Ausschalten des Stroms die Anstiegs- bzw. Abfall rate des Stromes gesteuert wird. Das Verfahren nutzt die Gegen-EMK der entregten Wicklung zur Beeinflussung des an die erregte Motorwicklung angelegten Treibersignais.

Gemäß Anspruch 2 ist bei einer Treiberschaltung zur Ausführung des beanspruchten Verfahrens eine Rückkopplungseinrichtung zwischen den Motorwicklungen vorzusehen, mit der die angegebene Beeinflussung des Anregungsstromes erreicht wird.

Gemäß Anspruch 3 kann jede Motorwicklung mit einer eigenen Schaltvorrichtung verbunden sein.

Hew!ett-Packard Company

Int. Az.: Case 1912 : ---

Gemäß Anspruch 4 kann jede Rückkoppel einheit zur Rückkopplung zwischen benachbarten Wicklungen derart kapazitiv ausgebildet sein, daß Spannungsänderungen an einer der Wicklungen Stromänderungen an der anderen Wicklung entgegenwirken. Die weiteren Unteransprüche betreffen bevorzugte Schaltungsausführungen. Die beanspruchte Treiberschaltung filtert das Geschwindigkeitssteuersignal mit hohem Wirkungsgrad, um im wesentlichen konstante Antriebsspannung für den Motor zur Verfugung zu stellen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer Motortreiberschaltung nach der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 zeigt die zeitlichen Beziehungen der Steuer- und Antriebssignale der in Figur 1 gezeigten Motortreiberschaltung.

Die Treiberschaltung für einen Spindel motor nach Figur 1 erregt Motorwicklungen Wi und W2 unter Steuerung durch Signale, die durch eine Hall-Sonde und einen Mikroprozessor erzeugt sind. Die Schaltung ist dazu ausgelegt, die Motorwicklungen mit einem Minimum hörbarer Geräusche mit hohen Wirkungsgrad anzusteuern.

Eine Stromquelle 10 besteht aus Transistoren Qi und Q2 und einem Widerstand Rj_-. Die Basis von Transistor Q2 ist an eine Bezugsspannung V4 gekoppelt, und die Basis von Transistor Qi ist an ein Steuersignal 24 gekoppelt. Beide Emitter der Transistoren Qi und Q2 sind über einen Widerstand Ri gemeinsam an eine Bezugsspannung V3 gekoppelt.

Der Transistor Qi ist ausgeschaltet (im Sperrzustand), und Transistor Q2 ist eingeschaltet (im leitfähigen Zustand), wenn das in Fi-■ gur 2 dargestellte Steuersignal 24 hohes Potential führt. Die Spannung an den Emittern der Transistoren Qi und Q2 beträgt etwa 4 V. Entsprechend liefert der Kollektor von Transistor Q2 einen Strom von etwa 4,2 mA. Wenn das Steuersignal 24 auf niedrigem Potential liegt, wird Transistor Qi eingeschaltet, weil seiner Basis Strom entnommen wird. Wegen des Stromflusses durch Widerstand Ri wird Q2 in Sperrichtung vorgespannt und damit ausgeschaltet.

Durch zwei Komparatoren Ai und A2 wird die Motorwicklung angewählt, der Strom zugeführt wird. Wenn das Steuersignal 23 niedriges Potential aufweist, wird durch den Komparator Ai die Motorwicklung Wi

Hewlett-Packard Company

Int. Az.: Case 1912 .^:

angewählt. Entsprechend wird bei hohem Potential des Steuersignals 23 der Motorwicklung W^ durch den Komparator A2 angewählt.

Wenn das Ausgangssignal des Komparators A^ niedriges Potential aufweist, arbeitet Transistor Q3 als Schalter. Der durch R2 fließende Basisstrom bewirkt Sättigung von Transistor Q3, so daß freier Stromfluß zwischen dessen Emitter und Kollektor erfolgt. Der Transistor Q4 spricht auf das Vorliegen niedrigen Potentials am Ausgang des Komparators A2 in gleicher Weise an.

Die als Darlington-Paar verschalteten Transistoren Q5 und Qß dienen zur Ansteuerung der Motorwicklung Wj_-. Durch sie kann bei. minimalem Steuerstrom an der Basis von Transistor Q5 beträchtlicher Antriebsstrom erzeugt werden. Kondensatoren C^ und C3 sowie ein Widerstand R5 dienen zum Steuern der Anstiegsrate, mit der Strom an die Motorwicklungen angelegt wird, und zum Rückkoppeln der Gegen-EMK oder Gegeninduktionsspannung, die beim Abschalten von Motorwicklung W2 erzeugt wird und das Bestreben hat, den Stromfluß durch die Wicklung W2 aufrechtzuerhalten. Hierdurch werden Geräusche im hörbaren Frequenzbereich reduziert. Zur Yersorung der Motorwicklung W2 ist eine gleichartige Schaltungsstufe bestehend aus dem Darlington-Paar 14 (bestehend aus Transistoren Q7 und Qs), Widerständen C2 und C4 und dem Widerstand Rß vorgesehen.

Wenn das in Figur 2 dargestellte Steuersignal 24 niedriges Potential aufweist, ist die Stromquelle 10 ausgeschaltet. Unter der Annahme, daß vor der Änderung des Steuersignals 24 von hohem Potential zu niedrigem Potential die Motorwicklung W2 angeregt wurde, wird Kondensator C4 nur einen minimalen Ladungsbetrag aufweisen. Falls das Steuersignal 23 hohes Potential aufweist, so daß der Komparator A2 den Transistor Q4 eingeschaltet hat, fließt der Ladestrom des Kondensators C4 durch den Widerstand R4 zur Basis des Transistors Qs. Während sich der Kondensator C4 in Richtung des Potentialniveaus V5 auflädt, wird das Darlington-Paar 14 eingeschaltet, und es fließt Strom durch Widerstand Kß. Hierdurch wird die Spannung am Schaltungsknotenpunkt 15 auf dem Wert von ca. 1 V festgehalten. Rückkopplung über Kondensator C4 stellt sicher, daß die Spannung konstant bleibt, solange das Darlington-Paar 14 nicht in Sättigung geht.

Die Aufladungsrate des Kondensators C4 und entsprechend die Rate, mit der die Vorspannung der Motorwicklung W2 verringert wird, ist im

Hewlett-Packard Company

Int. Az.: Case 1912 ^: '- ■'

wesentlichen durch den Strom durch Widerstand Rö bestimmt. Wegen der hohen Verstärkung des Darlington-Paars 14·ist der in die Basis von Qs und in Cz abfließende Strom vernachlässigbar klein.

Bei höherer Ladungsgeschwindigkeit von Kondensator C4 würde der durch Widerstand Rß nach Masse fließende Strom die Basisspannung von Transistor Qq und damit dessen Leitfähigkeit erhöhen. Bei höherer Leitfähigkeit von Transistor Qq wird ein größerer Strom an die Motorwicklung W2 angelegt, was den Spannungsabfall über die Wicklung W2 erhöht und zu einem Abfall der Spannung an Schaltungsknoten 15 führt.

Bei Verringerung der Spannung an diesem Spannungsknoten verringert sich der Strom durch Widerstand Rö, was wiederum die Basisspannung von Transistor Qs verringert.

Wie ebenfalls den Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist, ist die Stromquelle 10 eingeschaltet, wenn das Steuersignal 24 hohes Potential aufweist, Falls das Steuersignal 23 auch hohes Potential aufweist, wird die an die Motorwicklung W2 angelegte Vorspannung mit einer im wesentlichen durch die Entladungszeitkonstante des sich durch Widerstand R4 entladenden Kondensators C4 bestimmten Rate erhöht. Der Strom der Stromquelle 10 wird auf die Widerstände Rö und R4 aufgeteilt. Der durch R6 fließende Strombetrag ist durch die Basisvorspannung Vb₆ des Transistors Qq geteilt durch den Widerstandswert von R6 bestimmt. Der verbleibende Strom der Stromquelle 10 lädt über den Widerstand R4 den Kondensator C4. Zu dieser Zeit ist die Spannung am Verbindungspunkt von Kondensator C4 mit Widerstand R4 auf den Wert von etwa 0.3 V festgehalten. Dadurch, daß bei Erregung der Motorwicklung W2 eine andere Spannung an Schaltungsknoten 15 erzeugt wird als beim Entregen der Motorwicklung Wg, wird die Stabilität der Motorgeschwindigkeit erhöht.

Die Kondensatoren C3 und C4 ermöglichen eine Kopplung zwischen der Wicklung, die durch die Schaltung nicht erregt wird, zu der Wicklung, die durch die Schaltung erregt wird, wobei die Spannung an Schaltungsknoten 15 festgehalten wird. Die in der nicht erregten Wicklung erzeugte Gegeninduktionsspannung oder Gegen-EMK wird während des mittleren Teils jeder Phase des Steuersignals 23 invertiert und an die erregte Windung angelegt. Dies kann beispielsweise an der Treiberspannung 21 gesehen werden, welche während der positiven Phase des Steuersignals 23 die Motorwicklung Wg ansteuert, wie in Figur 2 gezeigt. Während der vollen ersten positiven Phase des Steuersignals 23 wird

Hewlett-Packard Company

Int. Az.: Case 1912 " .^: . ;

^: ^: 354001T

eine Gegeninduktionsspannung von etwa 6 V von der Motorwicklung W^ auf die Motorwicklung W2 übertragen.

Die Kondensatoren Ci und C2 steuern die Rate, mit der die Ansteuerung zwichen den Motorwicklungen Wi und W2 umgeschaltet wird. Wenn beispielsweise der Transistor Q4 aus- und der Transistor Q3 eingeschaltet wird, auf eine Zustandsänderung des Steuersignals 23 hin, so wird das Darlington-Paar 14 mit einer durch die Entladung des Kondensators C2 durch den Widerstand Rs bestimmten Rate ausgeschaltet. Deswegen verringert sich die Treiberspannung 20 mit dem Anstieg der Spannung 21 mit der gleichen Rate, weil der Kondensator C4 eine Ankopplung über den Schaltungsknoten 15 bewirkt. Auf diese Weise wird die der Motorwicklung W2 entnommene Spannung in verhältnismäßig kurzer Zeit auf die Motorwicklung Wj_- übertragen. Die Kondensatoren C^ und C2 schützen auch die Transistoren Qg und Qj vor Spannungsdurchbruch durch hohe Spannungspitzen, die durch die Motorwicklungen Wx und W2 erzeugt würden, wenn beim Umschalten der Ansteuerung von einer Wicklung zur anderen der Antriebsstrom 22 zu schnell verringert würde.

Wie in Figur 2 gezeigt, wird der Antriebsstrom 22 phasengleich mit den Antriebsspannungen 20 und 21 an die Motorwicklung angelegt.

Der Strom wird also etwa gleichzeitig mit einer Änderung des Zustandes von Steuersignal 23 von der einen Motorwicklung auf die andere Motorwicklung umgeschaltet.

Wie an anderem Ort in dieser Beschreibung erwähnt, gibt die Stromquelle 10 Strom an die Transistoren Q3 und Q4 ab, wenn das Steuersignal 24 hohes Potential aufweist. Das Steuersignal 23 bestimmt, welchen Pfad der Strom ei nschlagen sol 1. Wenn das Steuersi gnal 23 hohes Potential aufweist, fließt der Strom durch Transistor Q4. Wenn das Steuersignal 23 niedriges Potential aufweist, fließt der Strom durch Transistor Q3. Die Quelle des Steuersignals 23 ist eine Hall-Sonde, welche das magnetische Feld des Rotors am angetriebenen Motor überwacht, um die passende Wicklung auszuwählen, an die Leistung angelegt werden soll.

Wenn das Steuersignal 23 hohes Potential aufweist und das Steuersignal 24 niedriges Potential aufweist, ist die Stromquelle 10 ausgeschaltet. Wenn das Steuersignal 23 hohes Potential aufweist, verbindet Transistor Q4 im wesentlichen den Kondensator C4 über den Widerstand

Hewlett-Packard Company

Int. Az.: Case 1912 - -

R4 mit der Basis des Transistor Qs- Weil kein Strom von der Stromquelle 10 geliefert wird, wird das Darlington-Paar 14 mit einer Rate abgeschaltet, welche durch die Ladung des Kondensators C4 über den Widerstand Rö bestimmt ist. Der für Transistor 0.3 erforderliche Basisstrom und der Ladungsstrom des Kondensators C2 haben nur vernachlässigbaren Einfluß auf die Abschaltrate des Darlington-Paars 14.

Die Kondensatoren C3 und C4 integrieren zwischen den schnellen Übergängen des Steuersignals 24 den Strom der Stromquelle 10 zur Einstellung eines sich langsam ändernden Vorspannungsniveaus an der angetriebenen Motorwicklung. Solange das Steuersignal 24 niedriges Potential aufweist, verringert sich die Vorspannung 25 linear. Wenn das Steuersignal 24 hohes Potential aufweist, vergrößert sich die Vorspannung 25 linear. In ähnlicher Weise verringert und erhöht sich der Betrag des Antriebsstroms 22 in Phase mit der Antriebsspannung 25. Es sollte bemerkt werden, daß sich die Antriebsspannung 25 wie die negative Größe der Spannungen 20 und 21 verringert.

Die Integrationsrate der Kondensatoren C3 und C4 wird durch den Strom gesteuert, der durch den Widerstand R4 fließt, und der gleich ist zur Differenz zwischen dem Strom von der Stromquelle 10 und dem durch Widerstand R5 oder Rq fließenden Strom. Strom fließt aus der Stromquelle 10, wenn das Steuersignal 24 hohes Potential aufweist. Entsprechend ändert sich die Spannung an den Kondensatoren C3 oder C4 mit einer durch den Strom durch Widerstand R4 bestimmen Rate. Weil durch die Rückkopplung über das Darlington-Paar 12 oder 14 die Spannung an Schal tungsknoten 15 konstant gehalten wird, ändert sich die Antriebsspannung linear mit der Integration des durch Widerstand R4 fließenden Stroms. Wenn das Steuersignal 24 niedriges Potential aufweist, fließt kein Strom aus der Stromquelle 10, und der Strom durch den Widerstand R4 ist gleich dem Strom durch den Widerstand R5 oder den Widerstand Rö.

Der Widerstand R4 unterstützt die Stabilisierung der Gesqhwindigkeitsregelschleife dadurch, daß er eine sofortige Erhöhung oder Verringerung der Spannung an Schaltungsknoten 15 bewirkt, wie zum Aufrechterhalten einer konstanten Spannung erforderlich. Der Betrag der Erhöhung oder Verringerung wird bestimmt durch den bei Hochpotential von Steuersignal 24 von der Stromquelle 10 durch den Widerstand R4

Hewlett-Packard Company

Int. Az.: Case 1912 .^: ·

fließenden Strom und den bei Niedrigpotential von Steuersignal 24 durch R4 über R5 oder R$ nach Masse fließenden Strom.

Unter üblichen Belastungsbedingungen wird der Treiberstrom 22 nach Figur 2 im wesentlichen bei oder nahe den Übergängen des Steuersignals 23 abgeschaltet. Weil die Erzeugung axialer Kräfte zwischen den Motorwicklungen und dem permanentmagnetischen Rotor während solcher Übergänge am größten ist, während derer Strom in den Motorwicklungen fließt, werden durch das Verringern des Treiberstroms 22 in der Nähe solcher Übergänge diese Kräfte wesentlich reduziert, was die entstehenden hörbaren Geräusche ebenfalls reduziert.

Wenn in einer Motorwicklung zur Zeit eines Überganges des Steuersignals 23 Strom fließt, steuert Kondensator C^ oder Kondensator C2 die Rate, mit der Antriebsspannung auf die andere Wicklung übertragen wird. Weiterhin verhindert Kondensator C^ oder Kondensator C2 Spannungsdurchbruch seines zugeordneten Darlington-Paars durch die Induktivität der Motorwicklung, indem er die Abschaltungsrate der Antriebsspannung steuert. Solcherart wird das Darlington-Paar 14 mit einer durch die Entladung des Kondensators C2 durch Widerstand Rß bestimmten Rate abgeschaltet, wenn der Transistor Q4 ausgeschaltet wird und der Transistor Q3 eingeschaltet wird.

Neben einer Sicherstenung der Stabilität der Geschwind! gkeitsregelschleife steuert R4 den Stromfluß von den Kondensatoren C3 und C4, die während der Startphase übermäßig geladen werden. Während der Startphase gelangen die Leistungstransistoren Qö und Q7 in die Sättigung» was Schaltungsknoten 15 auf höhere Spannung zieht. Der Widerstand R4 erhält die Sättigung desjenigen Leistungstransistors aufrecht, der Strom an eine Motorwicklung anlegt, wenn die durch die entregte Wicklung induzierte Spannung sich zu verringern beginnt. Derart begrenzt Widerstand R4 die Entladung der Kondensatoren C3 und C4, um ein wirkungsvolles Starten des Motors sicherzustellen.

Claims

Hewlett-Packard Company Int. Az.: Case 1912 PATENTANSPRÜCHE VERFAHREN UND TREIBERSCHALTUNG ANTREIBEN EINES BÜRSTENLOSEN GLEICHSTROMMOTORS

1. Verfahren zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit mindestens zwei Wicklungen, die durch Umschalten einer Versorgungsspannung jeweils von einer Wicklung auf eine andere Wicklung abwechselnd mit Stromimpulsen angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Geräuschentwicklung des Motors die Gegen-EMK der jeweils von der Versorgungsspannung abgeschalteten Wicklung (Wi, W2) auf die jeweils an die Versorgungsspannung angeschaltete Wicklung (Wi, W2) derart übertragen wird, daß eine verringerte Änderungsgeschwindigkeit der Ströme in den Wicklungen (Wi, W2) erreicht wird.

2. Treiberschaltung zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Verfahren des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungseinrichtung (10, C3, C4, Q3, Q4, R4) zum Übertragen der Gegen-EMK der jeweils von der Versorgungsspannung abgeschalteten Wicklung (Wi, W2) auf die jeweils an die Versorgungsspannung angeschaltete Wicklung (Wi, W2) zum Verringern der Änderungsgeschwindigkeit der Ströme in den Wicklungen (Wi, W₂).

3. Treiberschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Wicklung (Wi, W₂) jeweils eine Schaltvorrichtung (12, 14) zum Schalten der Versorgungsspannung vorgesehen ist, und daß zwischen benachbarten Wicklungen (Wi, W₂) jeweils eine Rückkoppel einheit (C3, C4, R4) vorgesehen ist, welche beim Umschalten der Versorgungsspannung zwischen den benachbarten Wicklungen (Wi, W₂) die an der abschaltenden Schaltvorrichtung (12, 14) auftretende Gegen-EMK auf die anschaltende Schaltvorrichtung (12, 14) derart überträgt, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Ströme in den benachbarten Wicklungen (Wi, W2) verringert wird.

4. Treiberschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rückkoppel einheit (C3, C4, R4) derart als kapazitives Element zur Stromgegenkopplung zwischen den benachbarten Wicklungen (Wi, W2) ausgebildet ist, daß jede Spannungsänderung an einer der Wicklungen

ORIGINAL INSPECTED

Hewlett-Packard Company
Int. Az.: Case 1912

W2), die verringerten Stromfluß durch diese Wicklung (Wl, W2) zur Folge hat, in einen der anderen Wicklung (Wj_-, W2) zufließenden, deren Anregungsstrom entgegenwirkenden Strom umgesetzt wird.

5. Treiberschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltvorrichtung (12, 14) als Transistorschalter ausgeführt ist, der Strom von der zugeordneten Wicklung (Wi, W2) aufnehmen kann, und daß jede Rückkoppel einheit (C3, C4, R4) mindestens einen Kondensator (C3, C4) zur kapazitiven Kopplung der jeweiligen Verbindungspunkte zwischen den benachbarten Wicklungen (Wi, W2) und den ihnen zugeordneten Transistorschaltern (12, 14) aufweist.

6. Treiberschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rückkoppel einheit (C3, C4, R4) aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren (C3, C4) besteht, deren Verbindungspunkt (15) über einen Widerstand (R4) mit Steuerelektroden der Transistorschalter (12, 14) der benachbarten Wicklungen (Wi, W2) und mit einer Stromquelle (10) verbunden ist.